Свойства жидких металлов: плотность, теплопроводность, вязкость

Определение и использование плотности

Как известно, чтобы найти плотность вещества, его массу делят на объем. Плотность является физико-химической характеристикой вещества. Она постоянна. Материалы для промышленного производства должны соответствовать этому показателю. Для её обозначения принято использовать греческую букву ρ.
Плотность железа равна 7874 кг/м³, никеля — 8910 кг/м³, хрома — 7190 кг/м³, вольфрама — 19250 кг/м³. Конечно, это относится к твёрдым сплавам. В расплавленном состоянии веществам присущи другие характеристики.

В природе лишь некоторые металлы присутствуют в большом количестве. Удельный вес железа в земной коре 4,6%, алюминия — 8,9%, магния — 2,1%, титана — 0,63%. Металлы незаменимы в большинстве сфер человеческой деятельности. Их производство растёт год от года. Для удобства металлы разделены на группы.

Железо и его сплавы

Чёрными металлами принято называть стали и чугуны разных марок. Сплав железа и углерода считается сталью, если железа не менее 45%, а содержание углерода 0,1%—2,14%. Чугуны, соответственно, углерода содержат больше.

Для получения необходимых свойств сталям и сплавам их легируют (присаживают при переплаве легирующие добавки). Таким образом плавят заданные марки. Все марки металла строго соответствуют определённым техническим условиям. Свойства каждой марки регламентированы государственными стандартами.

В зависимости от состава плотность стали варьируется в диапазоне 7,6—8,8 (г/см³) в СГС или 7600—8800 (кг/м³) в СИ (это видно из таблицы 1). Конечно, сталь имеет сложную структуру, это не смесь различных веществ. Однако присутствие этих веществ и их соединений изменяют свойства, в частности, плотность. Поэтому самыми большими плотностями обладают быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама.

Цветные металлы и их сплавы

Изделия из бронзы, латуни, меди, алюминия широко применяются на производстве:

• Обычно бронзы это сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и бериллием. Однако в бронзовом веке, когда удельный вес бронзы в общей массе металлических изделий составлял почти 100%, это были сплавы медь — мышьяк.
• Сплавы на основе цинка — латуни. В латуни может присутствовать олово, но его количество меньше, чем цинка. Чтобы получить сыпучую стружку, иногда добавляют свинец. Кроме ювелирных сплавов латуни и бронзы, они нужны для деталей машин и морских судов, скобяных изделий, пружин. Некоторые сорта применяют в авиации и ракетостроении.
• Дюралюминий (дюраль) — сплав алюминия с медью (меди 4,4%) — это высокопрочный сплав. Главным образом применяется в авиации.
• Титан по прочности превосходит многие марки стали. Одновременно он вдвое легче. Эти качества сделали его незаменимым в большинстве отраслей промышленности. А также он широко применяется в медицине (протезировании). Удельный вес титана в производстве летательных аппаратов достигает 70% от всего выплавляемого в мире. Около 15% титана идёт для химического машиностроения.
• Серебро и золото — первые металлы, с которыми познакомился человек. За всю историю существования человечества эти металлы, по большей части, шли на ювелирные изделия. И в настоящее время тенденция сохраняется.
• Вольфрам из-за высокой тугоплавкости незаменим в приборостроении. Большая плотность позволяет применять его, как защиту от радиации.
• Никель и хром образуют нихром — жаропрочный пластичный сплав, очень долговечный и надёжный.

Различные марки сталей и чугунов, бронз и других металлов имеют разный химический состав и разную плотность. Плотности всех востребованных материалов измерены и систематизированы. Таблицы, содержащие эти данные доступны пользователям. С их помощью можно легко найти массу изделия заданной формы.

Зависимость плотности от температуры [ править | править код ]

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность в определённом диапазоне температур ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого значения.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, висмут и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при затвердевании уменьшается.

Определение массы изделия

Все современные справочные материалы, ГОСТ и технические условия предприятий скорректированы в соответствии с международной классификацией.

Пользуясь справочными таблицами плотностей различных материалов, легко определить их массу. Это особенно актуально, когда предметы тяжёлые или отсутствуют соответствующие весы. Для этого требуется знать их геометрические параметры. Чаще всего узнать требуется массу предмета в форме цилиндра, трубы или параллелепипеда:

1. Металлические прутки имеют форму цилиндра. Зная диаметр и длину, легко узнать массу. Масса равна плотности, умноженной на объём. Находим объём предмета. Он получается умножением площади сечения на длину. Площадь круга, зная диаметр, определить несложно. Диаметр в квадрате умножается на 3,14 (число пи), делится на 4.
2. Массу трубы получаем аналогично. При нахождении площади берём разницу между внешним и внутренним диаметром сечения.
3. Чтобы определить массу листа, блюма, сляба или прутка прямоугольного сечения, определяем объём, перемножая длину, высоту и толщину. Умножаем на плотность из справочника.

При таких вычислениях всегда допускается маленькая погрешность, ведь формы не идеальны. На практике ей можно пренебречь. Производители металлоизделий разработали специальные калькуляторы вычисления массы для пользователей. Достаточно ввести уникальные размеры в соответствующие окна и получить результат.

Плотности астрономических объектов [ править | править код ]

• Средние плотности небесных тел Солнечной системы см. на врезке.
• Межпланетная среда в Солнечной системе достаточно неоднородна и может меняться во времени, её плотность в окрестностях Земли

10 −21 ÷10 −20 кг/м³. Плотность межзвёздной среды

10 −23 ÷10 −21 кг/м³.

• Плотность межгалактической среды 2×10 −34 ÷5×10 −34 кг/м³.
• Средняя плотность красных гигантов на много порядков меньше из-за того, что их радиус в сотни раз больше, чем у Солнца.
• Плотность белых карликов 10 8 ÷10 12 кг/м³
• Плотность нейтронных звёзд имеет порядок 10 17 ÷10 18 кг/м³.
• Средняя (по объёму под горизонтом событий) плотность чёрной дыры зависит от её массы и выражается формулой:

ρ = 3 c 6 32 π M 2 G 3 . ho =<3,c^<6>><32pi M^<2>G^<3>>>.>Средняя плотность падает обратно пропорционально квадрату массы чёрной дыры (ρ

M −2 ). Так, если чёрная дыра с массой порядка солнечной обладает плотностью около 10 19 кг/м³, превышающей ядерную плотность (2×10 17 кг/м³), то сверхмассивная чёрная дыра с массой в 10 9 солнечных масс (существование таких чёрных дыр предполагается в квазарах) обладает средней плотностью около 20 кг/м³, что существенно меньше плотности воды (1000 кг/м³).

Читать также: Как правильно хранить аккумуляторные батарейки

Что такое удельный вес

Удельным весом называют плотность, умноженную на ускорение свободного падения (силу тяжести) или отношение веса тела к его объёму. Путать его с плотностью недопустимо. Однако часто это происходит из-за смешения понятий массы и веса. Вес тела, а следовательно и удельный вес, изменяется в зависимости от силы тяжести. Он не является постоянной величиной. В зависимости от места, где находится предмет, он имеет разные значения. Эта физическая величина будет разной даже в разных точках Земли. Ускорение свободного падения на экваторе больше, чем на полюсах. Масса и плотность постоянны.

К примеру, можно вычислить удельный вес серебра. На Земле эта величина будет составлять 10500 кг/м³ (плотность чистого металла). Умножив на 9,81м/с2 (сила тяжести), можно получить 103005 Н/м³. А на Луне 10500 кг/м³ умножается на 1,62м/с2 (сила тяжести на Луне). Результат уже другой — 17,01Н/м³. В кабине корабля, вращающегося вокруг Земли — невесомость, ускорение равно нулю. Следовательно, и вес любого материала здесь ноль.

Все значения будут разными. Самое большое значение будет в первом случае, потому что на Земле ускорение свободного падения имеет самое большое значение. В невесомости вещь не весит ничего. Плотность одного и того же материала в любом месте будет одинаковой. Она является константой.

Для того, чтобы составить таблицы удельного веса металлов на различных планетах (или в других условиях), необходимо знать ускорение свободного падения и плотность.

Диапазон плотностей в природе [ править | править код ]

Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне.

• Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (2·10 −31 —5·10 −31 кг/м³, без учёта тёмной материи) [3] .
• Плотность межзвёздной среды приблизительно равна 10 −23 —10 −21 кг/м³.
• Средняя плотность красных гигантов в пределах их фотосфер много меньше, чем у Солнца — из-за того, что их радиус в сотни раз больше при сравнимой массе.
• Плотность газообразного водорода (самого лёгкого газа) при нормальных условиях равна 0,0899 кг/м³.
• Плотность сухого воздуха при нормальных условиях составляет 1,293 кг/м³.
• Один из самых тяжёлых газов, гексафторид вольфрама, примерно в 10 раз тяжелее воздуха (12,9 кг/м³ при +20 °C)
• Жидкий водород при атмосферном давлении и температуре −253 °C имеет плотность 70 кг/м³.
• Плотность жидкого гелия при атмосферном давлении равна 130 кг/м³.
• Усреднённая плотность тела человека от 940—990 кг/м³ при полном вдохе, до 1010—1070 кг/м³ при полном выдохе.
• Плотность пресной воды при 4 °C 1000 кг/м³.
• Средняя плотность Солнца в пределах фотосферы около 1410 кг/м³, примерно в 1,4 раза выше плотности воды.
• Гранит имеет плотность 2600 кг/м³.
• Средняя плотность Земли равна 5520 кг/м³.
• Плотность железа равна 7874 кг/м³.
• Плотность металлического урана 19100 кг/м³.
• Плотность атомных ядер приблизительно 2·10 17 кг/м³.
• Теоретически верхняя граница плотности по современным физическим представлениям это планковская плотность 5,1⋅10 96 кг/м³.

Перевозки изделий из металлов

В системе грузоперевозок задействовано такое понятие, как «объёмный вес». Если масса предмета в одном кубическом метре 167 кг, то такой вес считается физическим, а если меньше — объёмным. Например, масса куба стали углеродистой — 7750 кг. Другими словами, объёмный вес стали 7750 кг. Эти расчёты нужны, чтобы определить, какой объем займёт перевозимый груз.

Однако в зависимости от того, какие металлические изделия перевозятся, объем будет меняться. Предположим, что есть несколько различных метизов одной и той же марки стали. По идее, они обладают одинаковой плотностью. Однако слитки, крупносортные изделия и бунты проволоки обладают различным объёмом, а следовательно, при их перевозке займут больше или меньше места на транспорте. Таким образом, они обладают разным объёмным весом. При любых условиях кубометр стали больше 167 кг, следовательно, его не назовёшь объёмным.

Таблица плотности металлов

Плотность металлов определяется двумя основными факторами:

• Типом кристаллической решетки и межатомными расстояниями в ней.
• Массой атома химического элемента.

Таблица плотности металлов и других элементов приводится ниже.

Здесь приведены цифры в г/ см3. Чтобы таблица плотности металлов в кг/ м3 выражалась, необходимо соответствующую величину умножить на 1000. Из таблицы видно, что металлы обладают самой разной плотностью. Они могут быть легче воды (натрий, литий, калий) или же являться очень тяжелыми (иридий, осмий, платина, золото).

Золото — 19,29 г/см³

Содержание золота в земле очень низкое, хотя месторождений, богатых им, много. Чуть-чуть золота есть даже в воде — в каждом ее кубометре присутствует не менее пяти микрограммов золота.

При обычных условиях не окисляется и не взаимодействует с большинством кислот, поэтому считается благородным металлом.

Золото легко пропускает тепло и электричество, благодаря чему незаменимо в радиоэлектронике.

Плотность некоторых пород древесины [ править | править код ]

Плотность древесины, г/см³

Плотности некоторых газов [ править | править код ]

Плотность газов, кг/м³ при НУ.

Для вычисления плотности произвольного идеального газа, находящегося в произвольных условиях, можно использовать формулу, выводящуюся из уравнения состояния идеального газа: [7]

ρ = p M R T ho =>> ,

Тантал — 16,67 г/см³

Чрезвычайно тугоплавкий (температура плавления 3017 °C), тантал во многих случаях успешно заменяет платину.

Применяется в ювелирном деле — из него изготавливают корпусы часов, браслеты и другие ювелирные изделия. Этому способствует высокая твердость металла. Кроме того, он дешевле платины, хотя и дороже серебра.

Его соединения заменяют платину и как катализаторы в химической промышленности. В стекловарении добавка в расплав этого металла позволяет получать стёкла, используемые для производства маленьких биноклей и легких очков. И совершенно незаменим тантал в производстве радиоэлектроники.

Платина — 21,40 г/см³

Название платине придумали конкистадоры. Буквально с испанского оно означает «серебришко». Объясняется такое пренебрежительное именование особой тугоплавкостью металла. Многие годы его не знали как применить, тогда платина стоила вдвое дешевле серебра.

В наши дни ценится гораздо дороже даже золота. Чрезвычайная тугоплавкость, химическая инертность и отличные свойства катализатора химических реакций делают ее незаменимой в промышленности. При этом высокая стоимость и хорошая прочность открывают пути к применению в ювелирном деле.

Плотности некоторых жидкостей [ править | править код ]

Плотность жидкостей, кг/м³